La fusione ad arco sotto vuoto, in particolare la rifusione ad arco sotto vuoto (VAR), è un processo di fusione secondaria utilizzato principalmente per la produzione di leghe metalliche di alta qualità, in particolare per applicazioni critiche in settori quali l'aerospaziale, l'energia e il nucleare. Il processo prevede la fusione di un elettrodo metallico consumabile in condizioni di vuoto mediante un arco elettrico a corrente continua (DC), seguito dalla solidificazione controllata del metallo fuso in un crogiolo di rame raffreddato ad acqua.
Descrizione del processo:
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Impostazione e fusione iniziale: Il processo VAR inizia con un elettrodo cilindrico consumabile, in genere ricavato da una lega metallica precedentemente fusa. Questo elettrodo viene posto in una camera a vuoto, posizionata sopra un crogiolo di rame raffreddato ad acqua. Il crogiolo è progettato per avere un diametro maggiore rispetto all'elettrodo per controllare l'arco. Sul fondo del crogiolo viene posta una piccola quantità della stessa lega da rifondere.
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Formazione dell'arco e fusione: Tra l'elettrodo e il metallo nel crogiolo si forma un arco elettrico in corrente continua. L'arco, che può raggiungere temperature di quasi 5000 K, fonde rapidamente il fondo dell'elettrodo. Le gocce di metallo fuso cadono attraverso l'arco e nel crogiolo, formando una piscina fusa.
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Solidificazione controllata: Mentre il metallo continua a fondere e a gocciolare nel crogiolo, subisce un rapido raffreddamento grazie alle pareti raffreddate ad acqua del crogiolo, portando alla solidificazione. Il processo di solidificazione è strettamente controllato per garantire la formazione di un lingotto omogeneo e raffinato. La velocità di raffreddamento, lo spazio tra l'elettrodo e il crogiolo e la corrente utilizzata sono parametri critici che influenzano la qualità del prodotto finale.
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Purificazione e raffinazione: L'ambiente sotto vuoto e le alte temperature del processo VAR favoriscono la rimozione delle impurità e l'affinamento della struttura cristallina del metallo. Ciò è particolarmente importante per i metalli reattivi come il titanio e lo zirconio, che possono essere purificati senza contatto con i materiali refrattari, e per gli acciai e le superleghe, dove migliora la pulizia delle inclusioni.
Scopo e applicazioni:
Lo scopo principale del VAR è quello di produrre leghe metalliche con un elevato grado di purezza, omogeneità e migliori proprietà meccaniche. Si tratta di un aspetto cruciale per le applicazioni in cui le prestazioni del materiale sono fondamentali, come ad esempio nei componenti aerospaziali, nelle apparecchiature per la generazione di energia e nei dispositivi medici. Il processo è anche soggetto a modellazione matematica e simulazione numerica per ottimizzare le applicazioni industriali, garantendo che i lingotti rifusi, che possono pesare diverse tonnellate, soddisfino i rigorosi standard di qualità.
In sintesi, la rifusione ad arco sottovuoto è una sofisticata tecnica metallurgica che sfrutta l'intenso calore di un arco elettrico in un ambiente sottovuoto per raffinare e solidificare le leghe metalliche, producendo materiali con proprietà superiori adatti ad applicazioni ad alto rischio.
